【摘要】：修復(fù)和增強(qiáng)人體運(yùn)動能力是研究外骨骼機(jī)器人的主要目標(biāo)。外骨骼與人體運(yùn)動的協(xié)調(diào)程度是影響穿戴舒適感、負(fù)重能力、運(yùn)動靈活性、代謝能消耗乃至人體運(yùn)動康復(fù)效果等人機(jī)耦合作用的關(guān)鍵因素;不良的人機(jī)耦合協(xié)調(diào)性將導(dǎo)致運(yùn)動干涉甚至損傷人體。當(dāng)前,外骨骼系統(tǒng)往往從傳統(tǒng)的機(jī)器人理論出發(fā)進(jìn)行設(shè)計與控制;由于缺乏對人體肌骨系統(tǒng)可變形、可儲能、順應(yīng)性等特性的認(rèn)識,其剛性的設(shè)計無可避免對穿戴者的運(yùn)動帶來干涉,導(dǎo)致其無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。針對這些問題,本文以人體下肢肌肉(股四頭肌肌群)作為研究對象,建立了下肢肌肉力學(xué)模型,旨在通過捕捉運(yùn)動過程中的肌肉力學(xué)特性,為設(shè)計人機(jī)協(xié)調(diào)的外骨骼機(jī)器人提供新思路和新方法。本文的主要研究內(nèi)容包括:骨骼肌肉是肢體關(guān)節(jié)的運(yùn)動約束和動力來源,本文通過研究膝關(guān)節(jié)運(yùn)動反演骨骼肌肉力學(xué)模型。參考人體肌肉生理解剖學(xué)與Hill肌肉模型,本文建立了股四頭肌肌群力學(xué)模型;并以下肢運(yùn)動作為載體、膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角為變量構(gòu)建下肢運(yùn)動的動力學(xué)集中參數(shù)模型;結(jié)合人體測量學(xué)、膝關(guān)節(jié)解剖學(xué)以及數(shù)字圖像處理等手段,完成常量參數(shù)的確定。針對股四頭肌群等效質(zhì)量、等效剛度、等效阻尼參數(shù)的分析與求解,本文基于下肢動力學(xué)模型設(shè)計了階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。對比不同負(fù)載下下肢自由釋放過程中膝關(guān)節(jié)角度的動態(tài)響應(yīng),驗(yàn)證所建立模型的可行性和準(zhǔn)確性。將對系統(tǒng)非線性的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,完成集中參數(shù)系統(tǒng)的歸一化剛度、阻尼的辨識,進(jìn)而反算四頭肌群力學(xué)模型參數(shù)。本文提出了肌肉能耗的評估計算方法并實(shí)現(xiàn)了肌肉神經(jīng)響應(yīng)遲滯的評估。通過設(shè)計直線行走實(shí)驗(yàn),本文將能耗評估方法計算的能耗與肌肉代謝消耗的肌氧飽和度的進(jìn)行對比,驗(yàn)證了方法的合理性;并通過設(shè)計下肢脈沖響應(yīng)實(shí)驗(yàn),分析了神經(jīng)激勵與肌肉力生成之間的延遲特性,并量化估計其數(shù)值。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

c) 3D 肌肉模型 圖 1-2 常見的J. Duchateau 對人體拇收肌分別進(jìn)行等肌肉力學(xué)特性分影響，發(fā)現(xiàn)肌肉的收縮Muramatsu 等對人體活體內(nèi)側(cè)腓腸肌肌腱納了肌腱與腱膜的最大應(yīng)變水平，并發(fā)現(xiàn)系[25]。G.A.Lichtwark 等對人行走以及跑步角度的變化，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動的過程中腓腸肌狀肌遠(yuǎn)端的肌束長度縮短更多，行走時，各跑狀態(tài)下肌束的長度均縮短，反映了彈性束可以調(diào)節(jié)收縮速度以提供與最大輸出功等通過超聲剪切成像手段，用肌肉的剪切系對內(nèi)側(cè)腓腸肌肌腹的被動彈性屬性進(jìn)行

c) Vicon 運(yùn)動捕捉系統(tǒng) d) MRI 核磁共振成像圖 1-3 常見的肌肉特性測量方式運(yùn)動功能現(xiàn)象與病理運(yùn)動功能現(xiàn)象，包括肌肉疲勞、保護(hù)受損以及動作分類的肌電信號的電壓通常僅僅為幾毫伏，很容易被相鄰的肌肉電信號、采集系環(huán)境的電磁輻射所干擾；同時，其測量受到傳感器張貼位置、皮膚表面環(huán)境，故對其進(jìn)行量化分析肌肉力學(xué)特性還是存在很大的缺陷[45, 46]。肌肉力學(xué)特性的應(yīng)用探明肌肉力學(xué)特性不僅在生理學(xué)上有深遠(yuǎn)的意義，對于精確地預(yù)測和測量肌的能耗以及作用力也有很大的意義。代光輝等依據(jù)肌肉力學(xué)三元素模型并參數(shù)進(jìn)行分析，通過實(shí)驗(yàn)建立模型的動力學(xué)方程，設(shè)計了具有一定程度上肌性的氣缸型人工肌肉[47]；Herr 和 Dennis 基于肌肉的功能性能，利用青蛙半，結(jié)合開環(huán)刺激控制設(shè)計制造了一個游泳機(jī)器人[48]，其可以完成基本的游如啟動、停止、轉(zhuǎn)彎和直線游泳，如圖 1-4a)所示。ChengguangYang 等通過

圖 4-1 下肢自由釋放實(shí)驗(yàn)場景布置實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)開始前，實(shí)驗(yàn)對象完成黑色緊身褲、配套鞋的穿戴以及熒光條的粘貼，肢肌肉的狀態(tài)與人行走時的狀態(tài)盡量接近，以躺姿躺于實(shí)驗(yàn)臺上；調(diào)節(jié)三腳機(jī)光軸與矢狀面（小腿運(yùn)動發(fā)生平面）保持垂直。打印相機(jī)標(biāo)定棋盤格，并在憑證表面，移動標(biāo)定板，拍攝標(biāo)定板在 12 個位置、方向的照片，用于對視頻的標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)步驟：a. 被試者保持下肢完全放松狀態(tài)，輔助者 A 幫助控制被試小腿，將其置于高度，輔助者 B 開啟相機(jī)采集相關(guān)影像，A 釋放小腿；b. 于同一高度重復(fù)步驟 a；c. 改變高度（每次實(shí)驗(yàn)?zāi)_后跟高度遞減 5cm），重復(fù)步驟 ab；d. 于小腿近端 23.5cm 處分別依次添加配重 0kg、0.5kg、1.0kg 并重復(fù)步驟

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 王志堅;;肌肉收縮力與收縮速度關(guān)系研究[J];中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志;2011年03期

2 潘慧炬;;肌肉力學(xué)特性研究進(jìn)展及其若干問題[J];體育科學(xué);2003年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 魏高峰;人體骨肌系統(tǒng)的整體生物力學(xué)建模與仿真分析研究[D];上海交通大學(xué);2010年

本文編號：2768835